Для ГЭС с расчетным напором Н р = 45.5 м:
1. Выбрать систему и тип гидротурбины, обеспечивающую мощность N = 38200 кВт при высоте отсасывания Н s = - 8.6 м.
Характерные отметки бьефов принять из таблицы.
| расчетная | максимальная | минимальная | |
| ÑНУ | 108,5 | ||
| ÑВУ | 152,5 |
2. Рассчитать и построить рабочие характеристики для 4 напоров.
3. Построить эксплуатационную характеристику.
4. Рассчитать и построить бетонную спиральную камеру.
5. Построить и провести контрольный расчет отсасывающей трубы.
6. Сформулировать требования к гидрогенератору.
7. Разработать эскиз гидроагрегата.
2. Выбор гидротурбины
Необходимо выбрать систему и тип турбины, номинальный диаметр рабочего колеса D 1 и частоту вращения n таким образом, чтобы при наименьших размерах турбины и генератора и при возможно больших значениях КПД обеспечить получение заданной номинальной мощности. При этом требуемая высота отсасывания Н s для данной турбины должна соответствовать заданной величине (с точностью ± 0,5 м).
2.1. Определение рабочих напоров гидротурбины:
Нр =ÑВУр - ÑНУр = 152,5 – 107 = 45,5 (м);
Нmax =ÑВУmax - Ñ НУmin = 156 – 106 = 50 (м);
Нmin =ÑВУmin - ÑНУmax = 144 – 108,5 = 35,5 (м). (2.1)
где Ñ - отметки горизонтов верхнего и нижнего бьефов.
В формулах (2.1) не учитываются потери энергии в водоподводящих сооружениях ГЭС.
2.2. Выбор системы и типа гидротурбины производится по величине максимального напора (Таблица 1), так чтобы значение Н max было бы близко к предельному напору Н пред выбранного типа, но не превышало его, т.е.
Н max £ Н пред.
Для данных напоров выбираем следующие реактивные гидротурбины:
- осевая поворотно-лопастная ПЛ50-В;
- диагональная поворотно-лопастная ПЛД50-В600;
- радиально-осевая РО45 - В.
Составим таблицу параметров моделей данных гидротурбин:
Таблица 2-2
| Марка | ПЛ50-В | ПЛД50-В600 | РО45-В |
| Н пред, м | |||
| Н min /Н max | 0.50 | 0.50 | 0.60 |
| nI' opt, об/м | |||
| QI' opt, л/с | |||
| hм opt | 0.916 | 0.910 | 0.921 |
| QI max, л/с | |||
| s (QI' max ) | 0.60 | 0.60 | 0.23 |
| D 1мод, м | 0.460 | 0.350 | 0.460 |
| Н мод, м | |||
| t мод, 0С |
2.3. Определение номинального диаметра рабочего колеса D 1, для выбранных типов турбин (предварительно):
(2.2)
где N [кВт] и Hp [м] – определены заданием.
Значения QI', м3/с и КПД модельной турбины h м принимаются в «расчетной точке» её УХ. Предварительно «расчетная точка» выбирается в области значений максимального приведенного расхода QI' max на линии, соответствующей оптимальной приведенной частоте вращения nI' opt.
Полученная по (2.2) величина D* 1 округляется до ближайшего стандартного значения в соответствии с данными Таблицы 2.
Для ПЛ50-В QI' = 1,38 (м3/с), h м= 0,9:
(м);
Выбираем следующие диаметры: D 1= 3,15 (м); D 1= 3,35 (м).
Для ПЛД50-В600 QI' = 1,5 (м3/с), h м= 0,88:
(м);
Выбираем следующий диаметр: D 1= 3,15 (м).
Для РО45-В QI' = 1,34 (м3/с), h м= 0,9:
(м);
Выбираем следующий диаметр: D 1= 3,35 (м).
2.4. Определение максимального значения КПД натурной машины
(2.3)
Re – число Рейнольдса, причем
(2.4)
где n - коэффициент кинематической вязкости воды, зависящей от её температуры (Таблица 3).
Средняя температура в месте эксплуатации t = 10 ÷ 15 оС.
Для ПЛ50-В-315 h м орt, D 1м, Н м (Таблица 2-2):
;
.
Для ПЛ50-В-335 h м орt, D 1м, Н м (Таблица 2-2):
;
.
Для ПЛД50-В600-315 h м орt, D 1м, Н м (Таблица 2-2):
;
.
Для РО45-В-335 h м орt, D 1м, Н м (Таблица 2-2):
;
.
2.5. Определение поправки КПД за счет масштабного эффекта и отношения КПД натурной и модельной турбин в оптимальном режиме:
Δh м = h н оpt - h м оpt
(2.5)
m = h н оpt / h м оpt
Для ПЛ50-В-315:
Δh м = 0,943 – 0,916 = 0,027;
m = 0,943/0,916 = 1,03.
(2.6)
Для ПЛ50-В-335:
Δh м = 0,944 – 0,916 = 0,028;
m = 0,944/0,916 = 1,03.
Для ПЛД50-В600-315:
Δh м = 0,944 – 0,91 = 0,034;
m = 0,944/0,91 = 1,038.
Для РО45-В-335:
Δh м = 0,951 – 0,921 = 0,03;
m = 0,951/0,921 = 1,032.
2.6. Определение частоты вращения турбины:
(2.7)
где n I'p, об/мин – расчетное значение приведенной частоты вращения. Предварительно принимаем n I'p = n I'оpt по Таблице 2-1.
Полученное по (2.7) значение округляется до ближайшего синхронного значения частоты вращения n синхр.
Для ПЛ50-В-315:
(об/мин);
Принимаем n синхр= 250 (об/мин).
Для ПЛ50-В-335:
(об/мин);
Принимаем n синхр= 230,7 (об/мин).
Для ПЛД50-В600-315:
(об/мин);
Принимаем n синхр= 250 (об/мин).
Для РО45-В-335:
(об/мин);
Принимаем n синхр= 166,7 (об/мин).
2.7. Уточнение расчетной приведенной частоты вращения
(2.8)
Для ПЛ50-В-315:
(об/мин).
Для ПЛ50-В-335:
(об/мин).
Для ПЛД50-В600-315:
(об/мин).
Для РО45-В-335:
(об/мин).
2.8. Определение рабочей зоны турбины на УХ:
(2.9)
(2.10)
Для ПЛ50-В-315:
(об/мин);
(об/мин).
Для ПЛ50-В-335:
(об/мин);
(об/мин).
Для ПЛД50-В600-315:
(об/мин);
(об/мин).
Для РО45-В-335:
(об/мин);
(об/мин).
2.9. Определение «расчетной точки» турбины на универсальной характеристике. Вычисляется произведение:
(2.11)
Для ПЛ50-В-315:
.
Для ПЛ50-В-335:
.
Для ПЛД50-В600-315:
.
Для РО45-В-335:
.
Далее необходимо определить в какой точке УХ, расположенной на линии n I'p= Const, произведение Q I' и КПД модели отвечает условию (2.11). Поиск ведется методом последовательных приближений.
Для найденной «расчетной точки» выписываем значения Q I', h м и коэффициента кавитации s.
Для ПЛ50-В-315: Q I' = 1.35 (м3/с), h м= 0.94, s = 0,45.
Для ПЛ50-В-335: Q I' = 1.2 (м3/с), h м= 0.912, s = 0,35.
Для ПЛД50-В600-315: Q I' = 1.34 (м3/с), h м= 0.9, s = 0,4.
Для РО45-В-335: Q I' = 1.18 (м3/с), h м= 0.92, s = 0,14.
2.10. Определение допустимой высоты отсасывания:
Н допs = 10 - Ñ /900 - s · Н p - ΔН s + ΔZ х.пл (2.12)
где Ñ - отметка расположения рабочего колеса турбины принимается предварительно равной ÑНУр; ΔН s = 1,5 м – дополнительное заглубление рабочего колеса, учитывающие неточности определения s при модельных испытаниях, масштабный эффект и антикавитационный запас; ΔZ х.пл – разность отметок характерных плоскостей модельной и натурной турбин, которая определяется следующим образом:
- для осевых вертикальных турбин (ПЛ)
ΔZ х.пл = 0;
- для вертикальных диагональных и радиально-осевых турбин (ПЛД и РО)
ΔZ х.пл = B 0н /2.
Здесь B 0н – высота направляющего аппарата натурной турбины, которая пересчитывается с модели:
B 0н = B 0м · D 1н / D 1м (2.13)
где - B 0м и D 1м - указаны на УХ.
Для ПЛ50-В-315:
Н допs = 10 - 107/900 – 0,45 ·45,5 – 1,5 + 0 = -11,98 (м).
Для ПЛ50-В-335:
Н допs = 10 - 107/900 – 0,35 ·45,5 – 1,5 + 0 = -7,54 (м).
Для ПЛД50-В600-315:
B 0м = 0,375·0,350 = 0,131 (м);
B 0н = 0,131·3,15/0,350 = 1,18 (м);
ΔZ х.пл = 1,18 /2 = 0,59;
Н допs = 10 - 107/900 – 0,4 ·45,5 – 1,5 + 0,59 = -8,52 (м).
Для РО45-В-335:
B 0м = 0,35·0,460 = 0,161 (м);
B 0н = 0,161·3,15/0,460 = 1,17 (м);
ΔZ х.пл = 1,17 /2 = 0,59;
Н допs = 10 - 107/900 – 0,14 ·45,5 – 1,5 + 0,59 = 3,3 (м).
2.11. Сопоставление вариантов турбин и выбор оптимального.
Сведем данные расчетов по всем рассматриваемым вариантам турбин в Таблицу 2-11.
При определении hнр.т. в «расчетной точке» (графа 7) следует учитывать поправку на масштабный эффект:
h н р.т = h м + Δh (2.14)
где Δh - поправка, определенная ранее по (1.5).
Для ПЛ50-В-315: h н р.т = 0,94 + 0,027 = 0,967.
Для ПЛ50-В-335: h н р.т = 0,912 + 0,028 = 0,94.
Для ПЛД50-В600-315: h н р.т = 0,9 + 0,034 = 0,934.
Для РО45-В-335: h н р.т = 0,92 + 0,03 = 0,923.
Таблица 2-11